抚育间伐对白桦天然次生林枯落物与土壤持水特性的影响

刘忠玲 姚颖 刘建明 温爱亭 吕跃东

摘 要：以黑龙江省林口林业局青山林场白桦（Betula platyphylla）天然次生林为研究对象，采用室内浸水法和环刀浸泡法，研究抚育间伐（F-T：平地，采伐蓄积强度35.6%;S-T：坡地，采伐蓄积強度17.2%，下文简称强度抚育、弱度抚育）3 a后林分枯落物厚度、生物量、持水量和土壤持水量的变化。结果表明：①白桦天然次生林枯落物厚度为1.7～3.8 cm，生物量为5.14～9.34 t/hm2，最大持水量相当于可吸收1.7～2.6 mm的降水，有效拦蓄量相当于可吸收1.0～1.8 mm的降水。枯落物持水量与浸水时间呈对数函数关系（R2>0.937 2），吸水速率与浸水时间呈幂函数关系（R2>0.999 6）。土壤容重均值（0～30 cm）变化范围为0.83～1.23 g/cm3，土壤有效持水量范围为214.67～377.17 t/hm2，土壤总孔隙度随土层加深而降低。②对位于平地的林分进行强度抚育后，枯落物生物量显著提高（p<0.05），枯落物有效拦蓄量和土壤有效持水量均高于平地对照，差异不显著（p>0.05），林分总蓄水量提高。③对位于坡地的林分进行弱度抚育后，枯落物有效拦蓄量显著低于坡地对照（p<0.05），土壤有效持水量无显著变化（p>0.05），林分总蓄水量下降。④以提高林分水源涵养功能为目标，位于平地的林分应进一步研究合适的抚育强度，位于坡地的林分不宜进行弱度抚育。

关键词：抚育间伐;白桦（Betula platyphylla）;天然次生林;枯落物;土壤;持水特性

Abstract：Taking the Betula platyphylla natural secondary forest in Qingshan forest farm of Linkou Forestry Bureau of Heilongjiang Province as the research object， indoor soaking method and ring knife soaking method were adopted to study the changes in the thickness， storage and the water-holding capacity of litter， and soil water holding capacity after 3 years of thinning （F-T： Flat ground， thinning intensity accumulation 35.6%; S-T： slope land， thinning intensity accumulation 17.2%）. It showed that： ①The litter thickness of Betula platyphylla natural secondary forest was 1.7-3.8 cm， and the litter storage was 5.14-9.34 t/hm2， the maximum water-holding capacity and effective water interception capacity was at range of 1.7-2.6 mm and 1.0-1.8 mm rainfall. The water-holding capacity of litter had a logarithmic relation with soaking time （R2>0.937 2）， and water absorption rate showed a power function with soaking time （R2>0.999 6）. Soil bulk density mean （0-30 cm） was 0.83-1.23 g/cm3， soil effective water-holding capacity was 214.67-377.17 t/hm2. With the deepening of the soil， soil total porosity was decreased. ②The litter storage of high intensity thinned stands on flat land increased compared with the reference flat stands （p<0.05）， the effective water interception capacity of litter layer and effective water-holding capacity of soil were higher than those of reference flat stands， and the difference was not significant （p>0.05）， total water storage increased. ③The effective water interception capacity of litter layer of the low intensity thinned stands on slope land decreased compared with the reference slope stands （p<0.05）， while effective water-holding capacity of soil showed no significant difference （p>0.05）， total water storage decreased. ④In order to improve the water conservation functions of forest， the forest on flat land should be studied with appropriate thinning intensity， and the forests located on slope land should not be thinned with low intensity.

Keywords：Thinning; Betula platyphylla; natural secondary forest; litter; soil; water-holding characteristics

0 引言

森林生态系统具有3个垂直结构，即林冠层、枯落物层和根系土壤层。枯落物层在截持降水、防止土壤溅蚀、阻延地表径流、抑制土壤水分蒸发和增强土壤抗冲性等方面具重要意义[1]，土壤层具有较高的蓄水能力，其特有的孔隙结构对水分渗透、渗蓄起到调节作用[2]。不同的森林植被水源涵养功能不仅与树种生物学特性有关[3-6]，还与林分密度相关[7-15]，王磊[9]研究了抚育间伐对华北落叶松枯落物与土壤持水量的影响，抚育后的林分持水能力略优于抚育前;刘宇等[10]研究表明华北落叶松人工林枯落物层最大持水量在一定密度范围内随密度增加而增大;唐禾等[11]研究表明轻度间伐（15%）能提高麻栎次生林枯落物持水性能;周巧稚等[12]研究表明刺槐林枯落物层最大持水量随林分密度的增加呈先增大后减小的趋势;管惠文等[13]研究表明，间伐对大兴安岭落叶松天然次生林林地水文性能的提高具有积极作用;石媛等[14]研究表明油松人工林枯落物层最大持水量与林分密度无明显相关性;红玉等[15]研究表明杨桦天然次生林进行不同强度的采伐后补植红松，能提高土壤水源涵养能力。对白桦次生林枯落物和土壤持水特征的研究多数是与其他林分进行对比，极少涉及白桦次生林抚育间伐后水源涵养能力的变化[1-2，6]。

乌斯浑河流域开发较早，人口密集，进入20世纪80年代以来毁林开荒、陡坡耕种比较严重，至使流域蓄水能力降低，1991年曾发生过洪水[16]。乌斯浑河发源林口县宝林镇土顶子山麓，属于牡丹江中下游右岸一级支流，因此河流沿岸的森林覆盖率及森林水源涵养能力直接影响流域径流量。白桦（Betula platyphylla）天然次生林是该地区主要森林类型[17]，平地和山地均有分布。本文以白桦天然次生林为研究对象，研究抚育间伐对林地内枯落物和土壤持水性能的影响，探讨合理的白桦天然林间伐强度，为提高林地水源涵养能力提供参考。

1 研究地概况

研究地点位于黑龙江省林口林业局青山林场（130°21′～130°27′ E，45°32′～45°33′ N），屬长白山系完达山脉，平均海拔501 m，属寒温带大陆性季风气候区，1月平均温度-18 ℃，7月平均温度25 ℃，年均气温5 ℃，年平均湿度61%，年降水量750 mm，年平均蒸发量1 200 mm，无霜期100～140 d，≥10 ℃的积温为2 100 ℃。地带性土壤为暗棕色森林土，土壤平均厚度40～51 cm，腐殖质层平均厚度6 cm。试验天然白桦林分布于阴坡的坡中及坡下位置，主要伴生树种有水曲柳（Fraxinus mandschurica）、紫椴（Tilia amurensis）、色木槭（Acer mono）、山杨（Populus davidiana）、毛赤杨（Alnus sibirica）和黄菠萝（Phellodendrom amurense）等。

2 研究方法

2.1 样地设置

2013年春季，在林口林业局青山林场128林班10小班和19小班的天然白桦中龄林（白桦占7成以上，主林层平均胸径约16.4～19.6 cm）内进行了不同强度的生态疏伐，并保留有对照区。

2016年5月，在10小班（平地，海拔500 m）设平地对照（F-CK）和蓄积强度为35.6%的强度生态疏伐（F-T）标准地各3块（20 m×25 m，下同），下文简称强度抚育。在19小班（坡地，海拔590 m）设坡地对照（S-CK）和蓄积强度为17.2%的弱度生态疏伐（S-T）标准地各3块，下文简称弱度抚育。进行胸径、树高等调查，样地基本情况见表1。

2.2 林下枯落物采集与生物量测定

2016年7月在各标准地内沿对角线设置3个50 cm×50 cm的枯落物收集样方，利用砍刀、枝剪等工具将样方边界内外枯落物断开，将未分解层和半分解层分别装入密封袋中，并在收集的过程中记录枯落物层厚度。将分层的枯落物带回实验室，未分解层分选为枝、叶两种类型，分别称其自然状态质量，80 ℃烘箱中烘至恒重后称其烘干质量，以烘干质量推算枯落物生物量[15]。

2.3 枯落物持水的测定

将烘干后的样品装入网眼为0.5 mm的尼龙网袋中，放置在盛有清水的白盒中浸泡，分别在浸泡0.5、1、2、4、6、8、10、24 h时取出，静置至不滴水时立即称质量，计算持水量、吸水速率和拦蓄量等指标[1]。

2.4 土壤持水的测定

采用剖面法，在各个样地的四角和中间分别选取5个剖面，用环刀（100 cm3）在每个剖面上按照（0～10、10～20、20～30 cm）分层垂直采样，每层一个样品，同时用铝盒每层取一个样品。用烘干法测定土壤含水量;用环刀法测定土壤容重、孔隙度[5-6]。

2.5 数据统计与分析

采用Excel软件，进行单因素方差分析（one-way ANOVA），显著性水平为0.05，采用Excel制图。

3 结果与分析

3.1 抚育间伐对白桦天然次生林枯落物层生物量的影响

平地林分强度抚育后枯落物未分解层和半分解层厚度均高于平地对照，总厚度显著高于对照（p<0.05）;坡地林分弱度抚育后枯落物未分解层厚度、半分解层厚度和总厚度均显著低于坡地对照（p<0.05），见表2。

枯落物总生物量范围为5.14～9.34 t/hm2，平地林分强度抚育后枯落物未分解层、半分解层生物量均提高，总生物量提高70%（p< 0.05）;坡地弱度抚育后枯落物未分解层、半分解层生物量均降低，总生物量降低25%。

从枯落物组成来看，枯落物未分解层叶生物量高于枝，表明白桦天然次生林当年凋落物以叶片为主。

3.2 抚育间伐对白桦天然次生林枯落物层持水特征的影响

3.2.1 抚育间伐对白桦天然次生林枯落物自然含水量和最大持水量的影响

平地强度抚育后枯落物自然含水量和最大持水量均显著升高（p<0.05），见表3。坡地弱度抚育后枯落物自然含水量无显著变化，最大持水量显著下降（p<0.05）。白桦天然次生林最大持水量相当于可吸收1.7～2.6 mm的降水。

从枯落物组成来看，未分解层的自然含水量低于半分解层;叶的最大持水量高于枝。

3.2.2 抚育间伐对白桦天然次生林枯落物最大持水率的影响

两种立地条件的白桦天然次生林抚育后枯落物层最大持水率无显著变化（p>0.05），见表4，最大持水率相当于可吸收自身重量2.6～3.4倍的降水。

从枯落物组成来看，叶的最大持水率高于枝。

3.2.3 白桦天然次生林枯落物浸泡过程中持水量和吸水速率的变化

未分解层枝、叶、半分解层及全部枯落物持水量均随浸泡时间的增加呈对数型增长，如图1所示。各类型枯落物的同时间段持水量比较，平地林分强度抚育后持水量高于平地对照，坡地林分弱度抚育后持水量低于坡地对照。

在浸水初期0.5 h内枯落物吸水速率最快，2 h内较快，之后降低，8～10 h接近饱和，如图2所示。平地强度抚育后枯落物吸水速率高于平地对照，坡地弱度抚育后枯落物吸水速率低于坡地对照。

对各样地全部枯落物浸水0.5～24 h的持水量W （t/hm2）与浸泡时间t （h）的关系进行回归分析，二者之间可以用一元对数方程进行拟合，见表5。

对各样地全部枯落物浸水0.5～24 h的吸水速率V （t/（hm2·h））与浸泡时间t （h）的关系进行回归分析，符合幂函数模型，见表5。

3.2.4 抚育间伐对白桦天然次生林枯落物层拦蓄量的影响

两种立地条件的白桦天然次生林有效拦蓄量范围为10.38～17.51 t/hm2，相当于1.0～1.8 mm的降水，见表6。

平地林分强度抚育后枯落物有效拦蓄量高于平地对照（p>0.05）。坡地弱度抚育后枯落物有效拦蓄量显著低于坡地对照（p<0.05）。

从枯落物组成来看，未分解层的有效拦蓄量高于半分解层，叶的有效拦蓄量高于枝。

3.3 抚育间伐对白桦次生林土壤层物理性质和持水量的影响

3.3.1 土壤物理性质和持水量的垂直分布特征

土壤容重和孔隙度是反映土壤物理性状的重要参数，其中非毛管孔隙数量的多少将直接影响林地蓄水能力和调节水分功能的强弱。

在0～30 cm深度：①除坡地抚育样地外，其他样地3个土层间的土壤容重有显著差异（p<0.05），表现为表层最低，随土层加深而增加（表7）;②各样地3个土层间的土壤总孔隙度有显著差异（p<0.05），表现为表层最高，随土层加深而降低;③除平地对照样地外，3个土层间的土壤非毛管孔隙度表现为表层最高，随土层加深而降低。平地对照3个土层间非毛管孔隙度差异不显著，抚育后3个土层间非毛管孔隙度有显著差异（p<0.05）;坡地对照3个土层间非毛管孔隙度有显著差异（p<0.05），抚育后3个土层间非毛管孔隙度差异不显著，表明抚育能改变土壤的孔隙状况;④3个土层间的最大持水量有显著差异（p<0.05），表现为表层最高，随土层加深而降低。除平地对照样地外，3个土层间的土壤有效持水量表现为表层最高，随土层加深而降低。

3.3.2 抚育对白桦次生林土壤物理性质和持水量的影响

白桦天然次生林土壤容重均值（0～30 cm）范围为0.83～1.23 g/cm3（表8）。土壤有效持水量范围为214.67～377.17 t/hm2。

平地林分强度抚育后，土壤容重高于平地对照，总孔隙度和毛管孔隙度低于对照，非毛管孔隙度高于对照，土壤最大持水量低于对照，有效持水量高于对照，但变化均不显著（p>0.05）。

3.2.3 白桦天然次生林枯落物浸泡过程中持水量和吸水速率的变化

未分解层枝、叶、半分解层及全部枯落物持水量均随浸泡時间的增加呈对数型增长，如图1所示。各类型枯落物的同时间段持水量比较，平地林分强度抚育后持水量高于平地对照，坡地林分弱度抚育后持水量低于坡地对照。

在浸水初期0.5 h内枯落物吸水速率最快，2 h内较快，之后降低，8～10 h接近饱和，如图2所示。平地强度抚育后枯落物吸水速率高于平地对照，坡地弱度抚育后枯落物吸水速率低于坡地对照。

对各样地全部枯落物浸水0.5～24 h的持水量W （t/hm2）与浸泡时间t （h）的关系进行回归分析，二者之间可以用一元对数方程进行拟合，见表5。

对各样地全部枯落物浸水0.5～24 h的吸水速率V （t/（hm2·h））与浸泡时间t （h）的关系进行回归分析，符合幂函数模型，见表5。

3.2.4 抚育间伐对白桦天然次生林枯落物层拦蓄量的影响

两种立地条件的白桦天然次生林有效拦蓄量范围为10.38～17.51 t/hm2，相当于1.0～1.8 mm的降水，见表6。

平地林分强度抚育后枯落物有效拦蓄量高于平地对照（p>0.05）。坡地弱度抚育后枯落物有效拦蓄量显著低于坡地对照（p<0.05）。

从枯落物组成来看，未分解层的有效拦蓄量高于半分解层，叶的有效拦蓄量高于枝。

3.3 抚育间伐对白桦次生林土壤层物理性质和持水量的影响

3.3.1 土壤物理性质和持水量的垂直分布特征

土壤容重和孔隙度是反映土壤物理性状的重要参数，其中非毛管孔隙数量的多少将直接影响林地蓄水能力和调节水分功能的强弱。

在0～30 cm深度：①除坡地抚育样地外，其他样地3个土层间的土壤容重有显著差异（p<0.05），表现为表层最低，随土层加深而增加（表7）;②各样地3个土层间的土壤总孔隙度有显著差异（p<0.05），表现为表层最高，随土层加深而降低;③除平地对照样地外，3个土层间的土壤非毛管孔隙度表现为表层最高，随土层加深而降低。平地对照3个土层间非毛管孔隙度差异不显著，抚育后3个土层间非毛管孔隙度有显著差异（p<0.05）;坡地对照3个土层间非毛管孔隙度有显著差异（p<0.05），抚育后3个土层间非毛管孔隙度差异不显著，表明抚育能改变土壤的孔隙状况;④3个土层间的最大持水量有显著差异（p<0.05），表现为表层最高，随土层加深而降低。除平地对照样地外，3个土层间的土壤有效持水量表现为表层最高，随土层加深而降低。

3.3.2 抚育对白桦次生林土壤物理性质和持水量的影响

白桦天然次生林土壤容重均值（0～30 cm）范围为0.83～1.23 g/cm3（表8）。土壤有效持水量范围为214.67～377.17 t/hm2。

平地林分强度抚育后，土壤容重高于平地对照，总孔隙度和毛管孔隙度低于对照，非毛管孔隙度高于对照，土壤最大持水量低于对照，有效持水量高于对照，但变化均不显著（p>0.05）。

坡地林分弱度抚育后，土壤容重、土壤总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、土壤最大持水量和有效持水量均高于对照，但变化均不显著（p>0.05）。

3.4 抚育间伐对白桦次生林枯落物层和土壤层静态持水量的影响

森林持水能力一般用枯落物层和土壤层的总持水量进行评价[18]。以枯落物层和土壤层（0～30 cm）有效蓄水之和作为林地表层总蓄水量，平地林分强度抚育后高于对照，坡地弱度抚育后低于对照，见表9。

各样地土壤层持水量占林分总持水量的百分比均达到94%以上，说明土壤层对森林涵养水源的作用是主要的。

4 讨论

4.1 枯落物生物量

有研究表明，浑河上游白桦冷杉混交林（1 750株/hm2）枯落物生物量为12.19 t/hm2[19]，冀北山地白桦纯林（1 283株/hm2）和白桦落叶松混交林（1 488株/hm2）枯落物生物量为15.93～16.51 t/hm2[20]，大兴安岭地区白桦落叶松混交林枯落物生物量为17.46 t/hm2[21]。本试验样地密度为740～1 500 株/ hm2，枯落物生物量仅为5.14～9.34 t/hm2，与大兴安岭地区白桦低质林的枯落物总生物量（8.87 t/hm2）和长白山地区天然白桦林的枯落物生物量（5.00 t/hm2）相近[2，22]。可能是由于本研究区域积温较低，导致生长量较低，枯落物输入量少，同时林内针叶树种仅有少量的云杉、冷杉，阔叶枯落物分解速度较快，半分解层生物量低。

4.2 枯落物持水过程

有研究表明，浑河上游白桦冷杉混交林、冀北山地白桦纯林和大兴安岭地区白桦落叶松混交林枯落物最大持水量分别为4.5、5.4、6.0 mm，本研究的白桦天然林枯落物最大持水量相当于可吸收1.7～2.5 mm的降水，与大兴安岭白桦低质林和长白山地区天然白桦林枯落物最大持水量1.8～2.4 mm相近[2，19-22]。

平地强度抚育后，枯落物自然含水量和最大持水量均显著升高，坡地弱度抚育后枯落物自然含水量和最大持水量均下降（表3），与枯落物生物量的变化一致。韩友志等[19]的研究认为枯落物生物量越大，持水潜力越大。两种立地的白桦天然林抚育后枯落物最大持水率均下降（表4），与抚育后树种组成发生改变，枯落物组成也随之变化有关。也有研究表明最大持水率在一定密度范围内随密度降低而减小[10]。

枯落物浸泡过程中，各时间点的持水量变化和吸水速率变化，能够描述枯落物的持水过程。初期0.5 h内，枯落物吸水速率最快（图2），持水量可达最大持水量的55%以上（图1），随后吸水速率变慢，持水量增加缓慢，直至饱和。吸水速率快，可以将林内降水迅速含蓄起来，减少地表径流的发生。0.5 h内，当林内降雨小于1.0 mm时，将不会产生地表径流（图1）。持水量与浸水时间呈对数函数关系，吸水速率与浸水时间呈幂函数关系（表5），与前人研究结果一致[3-12，19-22]。

4.3 枯落物有效拦蓄量

枯落物的最大持水量和最大持水率是将枯落物烘干樣品浸水24 h后测定的结果，没有考虑到自然状态下枯落物的含水量，结果会偏大，一般采用有效拦蓄量来估算枯落物对降水的实际拦蓄能力[1-2]。

平地强度抚育后枯落物层有效拦蓄量升高，坡地弱度抚育后枯落物有效拦蓄量显著下降（表6）。

4.4 土壤物理性质和持水量

有研究表明，冀西北地区白桦林0～40 cm土层非毛管孔隙度为8.25%，有效持水量为352.2 t/hm2[18]，大兴安岭白桦林土壤非毛管孔隙度为19.33%[18]，小兴安岭白桦次生林土壤0～60 cm土层有效持水量为342.85 t/hm2[23]，本试验中土壤0～30 cm土层非毛管孔隙度为8.16～12.57%，有效持水量为214.67～377.17 t/hm2，水源涵养能力与以上研究地区白桦林接近。

两种立地条件的白桦天然次生林不同强度抚育后，反映土壤物理性质和持水量的各指标与对照均不显著，可能是抚育时间较短，土壤变化不明显。

5 结论

（1）白桦天然次生林枯落物厚度为1.7～3.8 cm，生物量为5.14～9.34 t/hm2，有效拦蓄量相当于1.0～1.7 mm的降水。枯落物持水量与浸水时间呈对数函数关系（R2 > 0.937 2），吸水速率与浸水时间呈幂函数关系（R2 > 0.999 6）。土壤容重变化范围为0.83～1.23 g/cm3，土壤有效持水量范围为214.67～377.17 t/hm2。

（2）位于平地的林分进行强度抚育后，枯落物厚度、生物量、自然含水量和最大持水量均显著高于平地对照（p<0.05），枯落物有效拦蓄量和土壤有效持水量均高于平地对照，差异不显著（p>0.05）。可进一步研究其他抚育强度能否提高水源涵养功能。

（3）位于坡地的林分进行弱度抚育后，枯落物厚度和最大持水量显著低于坡地对照（p<0.05），有效拦蓄量显著低于坡地对照（p<0.05），土壤有效持水量无显著变化（p>0.05），总蓄水量下降。以提高林分水源涵养功能为目标时，位于坡地的林分不适宜弱度抚育。

【参 考 文 献】

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